【ITニュース解説】PriorityClass in Kubernetes: The VIP Pass for Your Pods

Kubernetes環境では、多数のアプリケーションがPodと呼ばれる単位で動作する。これらのPodは、計算能力やメモリといったクラスターのリソースを共有しながら実行される。しかし、クラスターのリソースには限りがあるため、リソースが不足する状況が発生することがある。そのような状況で、どのアプリケーションが優先的に動作し続けるべきか、あるいはどのアプリケーションが一時的に停止しても問題ないかを判断する仕組みが必要となる。この課題を解決し、アプリケーションの安定稼働と効率的なリソース利用を実現するためのKubernetesの機能がPriorityClassである。

PriorityClassは、Kubernetesクラスター内で動作する個々のPodに優先度レベルを割り当てる機能である。この機能を用いることで、Kubernetesのスケジューラは、利用可能なリソースが限られている場合に、どのPodを優先的にスケジュールすべきか、また、既存のPodのうちどのPodを停止させて（これを「evict（追い出す）」と表現する）新たなPodのためのリソースを確保すべきかを決定できるようになる。つまり、非常に重要なPodには高い優先度が与えられ、リソース不足時にも優先的に稼働が保証される一方、重要度の低いPodはスケジュールを待機したり、場合によってはリソースが尽きた際にシステムによって停止させられたりする可能性がある。

PriorityClassの動作原理は、各PriorityClassに割り当てられる数値に基づいている。この数値はPodの重要度を表し、数値が高いほどPodの優先度も高くなる。例えば、あるPriorityClassに高い数値が設定されているPodは、低い数値が設定されているPodよりも重要であるとシステムが判断する。クラスター全体のリソースが不足する状況では、Kubernetesは優先度の低いPodを追い出し、そのリソースを優先度の高いPodのために利用することがある。さらに、PriorityClassには「プリエンプションポリシー」という設定項目があり、これにより、高い優先度を持つPodがスケジュールされる際に、低い優先度を持つPodを積極的に追い出すかどうかを制御できる。このポリシーは、リソースが逼迫した際のクラスターの挙動を細かく調整するために重要である。

PriorityClassは、Kubernetesクラスターのリソースを効率的に管理し、全体の安定性を高める上で非常に有用な機能である。この機能を利用することで、システム監視ツールやセキュリティエージェントのような、クラスターの健全性維持に不可欠なクリティカルなワークロードが常に確実に実行されることを保証できる。また、高重要度サービスがリソース不足に陥るのを防ぎ、システムが過負荷の状態になった際にも、重要度の低いPodを適切に停止させることで、システム全体の安定稼働を維持する。これにより、不可欠なサービスが中断されることなく提供され、クラスター全体の回復力も向上する。PriorityClassが導入されていない環境では、すべてのPodが等しく扱われるため、重要度の低い非必須サービスがリソースを消費し、その結果、重要なサービスがいつまでも実行されない「保留中」の状態で停滞してしまうといった問題が発生する可能性がある。

PriorityClassは、いくつかの実世界のシナリオでその真価を発揮する。第一に、システム監視、ログ収集、セキュリティ機能といったクリティカルなシステムサービスは、常に稼働していることが求められる。これらのサービスに高いPriorityClassを割り当てることで、クラスターが負荷を受けている状況でもこれらが追い出されることなく動作し続けることを保証できる。第二に、複数のチームやプロジェクトが共有のKubernetesクラスターを利用する「マルチテナントクラスター」では、本番環境のワークロードを開発環境やテスト環境よりも優先させたい場合にPriorityClassが役立つ。これにより、重要な本番サービスに必要なリソースが確保される。第三に、システム障害からの復旧（フェイルオーバー）や災害復旧のシナリオにおいて、最も重要なサービスは可能な限り迅速にオンラインに戻る必要がある。PriorityClassを使用することで、他のどのサービスよりも先に主要なサービスが復旧し、システムのダウンタイムを最小限に抑えることができる。

PriorityClassをKubernetesに実装するには、まずPriorityClassリソース自体を定義する必要がある。この定義には、apiVersion: scheduling.k8s.io/v1とkind: PriorityClassという情報を含め、metadata.nameでこのPriorityClassの名前を指定する。最も重要な要素はvalueフィールドで、ここに優先度を示す具体的な数値を設定する。数値が高いほど優先度も高くなるため、例えば1000000のような大きな値を設定することで、非常に高い優先度を持つPriorityClassを作成できる。また、preemptionPolicyフィールドでは、このPriorityClassが他の低い優先度のPodを追い出すかどうかを設定する。PreemptLowerPriorityと設定すると追い出すことが可能になり、Neverと設定すると追い出さずに待機する。globalDefaultフィールドをfalseに設定すると、このPriorityClassはデフォルトでは適用されず、Podに明示的に割り当てる必要があることを意味する。

PriorityClassが定義されたら、次にPodにそのPriorityClassを割り当てる。Podの定義ファイル（YAML形式）のspecセクションにpriorityClassNameというフィールドを追加し、そこに作成したPriorityClassの名前を指定する。例えば、priorityClassName: high-priorityと記述することで、そのPodはhigh-priorityという名前で定義されたPriorityClassの優先度設定に従うようになる。このようにして、特定の重要なアプリケーションがデプロイされる際に、Kubernetesは他の低優先度PodよりもそのPodに高い優先順位を付けてスケジュールやリソース管理を行う。

PriorityClassを使用する上で、いくつか重要な点がある。Kubernetesには、特にクリティカルなシステムPodのために予約されたsystem-cluster-criticalとsystem-node-criticalという特別な高い優先度クラスが存在する。この中でも、system-node-criticalは最も高い優先度を持ち、system-cluster-criticalよりもさらに優先される。実際、Kubernetesクラスターのコントロールプレーンを構成する重要なコンポーネントの多くは、このsystem-node-criticalという高い優先度クラスでマークされている。これにより、クラスターの基本機能が常に安定して稼働することが保証される。

preemptionPolicyフィールドには、PreemptLowerPriorityとNeverという二つの可能な値がある。PreemptLowerPriorityはデフォルト値であり、このPriorityClassを使用するPodがスケジュールされようとした際にクラスターのリソースが不足している場合、低い優先度のPodを積極的に追い出して自身のスペースを確保することを許可する。これにより、高い優先度のPodが確実に実行される。一方、Neverに設定した場合、リソースが不足している状況であっても、Podは低い優先度のPodを追い出すことはせず、単にリソースが利用可能になるまで「保留中」の状態で待機し続ける。この設定は、予期せぬPodの停止を避けたい場合に有用である。また、静的なPod（クラスター外から直接ノード上で管理されるPod）がクリティカルとしてマークされている場合、そのPodはKubernetesによって追い出されることはない。しかし、通常の非静的なPodがクリティカルとしてマークされている場合は、一時的にリソース不足で追い出されたとしても、Kubernetesは常にそのPodを再スケジュールしようと試みる。